전기 자동차에 사용되는 배터리 제조 시 구리 소재는 스패터 없이 고속으로 용접되어야 합니다. 일반적으로 파장이 1000nm에 가까운 적외선 레이저가 사용되지만 이는 구리 재료 용접에 있어 낮은 에너지 흡수와 공정 불안정이라는 두 가지 주요 과제를 제시합니다. 구리 재료에 의한 적외선 레이저 광의 흡수는 온도에 따라 증가합니다. 고출력 IR 레이저가 구리 표면에 조사되면 작은 구멍이 형성된 후 구리 표면의 에너지 흡수율이 갑자기 증가합니다. 구멍이 불안정하고 스패터가 쉽게 형성됩니다. 동시에 적외선 레이저의 출력이 크기 때문에 레이저가 손상될 수 있습니다. 구리 소재에 의한 청색 레이저의 흡수율은 약 60%로 IR 레이저에 비해 훨씬 효율적입니다. 구리 가공을 위한 블루 다이오드 레이저의 타당성은 일부 문헌에서 보고되었습니다. 블루 레이저는 높은 효율성과 품질로 구리 포일이나 시트를 용접할 수 있습니다. 그러나 청색 레이저의 가격은 NIR 레이저보다 훨씬 높으며 최대 출력 전력은 2000W로 제한됩니다. 낮은 IR 레이저 에너지 흡수, 불안정한 프로세스 및 청색 레이저의 낮은 출력 전력이라는 단점을 결합하여 제안할 수 있습니다. 청색-IR 복합 레이저 용접 공정. 이 용접 공정에서는 먼저 흡수율이 높은 청색 레이저로 모재 표면을 녹인 다음 적외선 레이저로 용융 풀의 깊이를 늘릴 수 있습니다. Yanget al. 실험과 수치 시뮬레이션을 기반으로 3mm 두께 구리판의 근청색 적외선 복합 레이저 용접을 조사했습니다. 먼저 저전력 청색 레이저로 동판을 가열한 다음 고출력 적외선 레이저를 판의 고온 표면에 조사하여 깊고 작은 구멍을 형성했습니다. Fujioet al. 청적외선 레이저 복합 용접 시스템을 개발한 결과, 하이브리드 레이저의 용접 효율이 적외선 레이저의 1.45배 높은 것으로 확인됐다. Kanekoet al. 동축 복합 청색-적외선 레이저를 사용하여 용융 풀과 작은 구멍을 확대하고 내부 열 대류를 안정화했습니다. 복합 청색-적외선 레이저 용접에서 레이저 에너지 흡수는 용접 공정의 안정성뿐만 아니라 장비의 수명에도 영향을 미칩니다. 청색 레이저에 노출된 후 구리 표면의 온도가 낮아지면 구리 표면에서 반사되는 IR 레이저 에너지가 높아 레이저 헤드가 손상될 수 있습니다.
Fujio, Set al. 청색광 반도체 레이저를 예열 광원으로, 단일 모드 파이버 레이저를 용접 광원으로 사용하는 복합 레이저 시스템을 연구 개발했습니다. 이 복합 레이저 시스템을 사용하여 2.5 × 3.0 × 50 mm 구리 와이어에 대한 용접 테스트를 수행했습니다. 그림 1은 {{10}}.1, 0.2 및 0.3초에서 고속 카메라로 캡처한 순수 구리의 용융 및 응고 동역학을 보여줍니다. (a) 복합 레이저 및 (b) 단일 모드 광섬유 레이저. 출력 전력이 1kW인 단일 모드 광섬유 레이저의 경우 구리 용융은 약 0.3초부터 시작됩니다. 단일 모드 광섬유 레이저의 용융 동역학은 그림 2.1.2에 나와 있습니다. 반면, 출력 1kW의 단일 모드 파이버 레이저와 출력 200W의 블루 다이오드 레이저를 사용한 하이브리드 레이저의 경우 구리 녹는 시간은 0.2초부터 시작됩니다. 따라서 그림 2에서 볼 수 있듯이 단일 모드 광섬유 레이저보다 하이브리드 레이저에서 구리의 용융량이 더 커집니다.
블루 다이오드 레이저를 이용한 예열로 인해 구리의 온도는 약 8{3}}0도까지 상승합니다. 구리의 온도는 약 1.5°F(0.5°F)까지 증가합니다. 온도가 증가하면 광섬유 레이저로의 구리 광 흡수가 국부적으로 증가합니다. 동시에 복합 레이저는 단일 모드 파이버 레이저보다 더 큰 구리 용융량을 얻습니다. 따라서 블루 다이오드 레이저를 예열함으로써 단일 모드 파이버 레이저에 대한 구리의 광흡수가 증가하고 용접 효율이 증가한다는 결론을 얻었다.
Wuet al. 두께가 0.5 mm인 구리 재료에 대해 동축 복합 청색광-적외선 레이저 용접 공정을 사용하고 새로운 청색광-적외선 레이저 열원 모델을 확립하고 용융 풀의 동적 거동을 수치적으로 시뮬레이션했으며 가상 메쉬 미세화 방법과 결합하여 레이저 에너지 흡수. 블루 레이저 용접에 비해 동축 복합 블루-IR 레이저 용접의 최대 용융 온도와 속도는 더 많이 변동하고 총 레이저 에너지 효율은 낮지만 여전히 좋은 용접을 얻을 수 있습니다. 적외선 레이저 용접과 비교하여 동축 복합 청색-IR 레이저 용접에서 청색 레이저는 적외선 레이저의 에너지 효율을 향상시키고 안정화시켰습니다.
{{{{10}}} W의 청색 레이저 출력, 1400 W의 IR 레이저 출력 및 1.2 m/min 용접 속도를 사용한 새로운 시뮬레이션이 동축 복합재에서 다시 시작되었습니다. t=0.1초에서의 청색-IR 레이저 용접 케이스. 새로운 시뮬레이션은 그림 3(a)에 나와 있습니다. 그림 3(a)에서 볼 수 있듯이 작은 용융 풀만 형성됩니다. 최대 용융 온도는 1798K이고 최대 용융 속도는 0.11m/s입니다. 그림 3(b)에서 볼 수 있듯이 흡수된 IR 레이저 출력과 효율은 t= 0.232s 이후 각각 190.4W와 13.60%입니다. 용접된 재료의 IR 레이저 출력과 효율도 그림 3(c)에 나와 있습니다. IR 레이저 용접과 비교하여 동축 복합 청색-IR 레이저 용접의 IR 레이저 에너지 효율은 16.99% 증가했으며 전체 레이저 에너지 효율은 165.22% 증가했습니다. 그림 3(c)에서 볼 수 있듯이 동축 복합 청색광-IR 레이저 용접과 IR 레이저 용접에서 IR 레이저 효율의 표준 편차는 각각 0.014%와 0.215%였습니다. 청색 레이저는 복합 청색-IR 레이저 용접에서 적외선 레이저의 에너지 효율을 향상시키고 안정화시킨다는 결론을 내릴 수 있습니다.
청색광의 비용과 최대 출력의 한계, 적외선 레이저 에너지 흡수율의 단점 등을 고려하여 공정이 불안정한 청색광-적색광 복합 레이저 용접 공정이 제안되었습니다. 청색광의 높은 흡수율은 재료를 예열하여 적색광의 흡수율을 증가시키는 동시에 광섬유 레이저에 비해 청색광의 전력 밀도가 작기 때문에 실현될 수 있습니다. 안정적인 열전도 용접과 심용해 용접을 결합하여 고내합금(알루미늄, 구리)의 고능률 용접을 실현합니다.
